CN114459668A - 基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触压力测量方法，尤其涉及一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统，解决现有测量方法存在的温度修正过程复杂，测量精度较低的问题。采用非接触测量即在通过不与传压介质接触的方式测量由于压力引起的应变变化，再进行温度修正即可间接获得压力数据，实现非接触式压力测量的目的。为了提高非接触压力测量的精度，对标定管道的材料进行研究，将TA2钛合金作为保定管道材料，TA2钛合金作为压力传导介质时应变变化对于温度的影响为线性关系，温度修正过程简单，可以提高非接触压力测量方法的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触压力测量方法，尤其涉及一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统。
背景技术
随着高精密加工和高精度测量技术的迅速发展，在科研生产中对压力测量的要求也越来越高。
传统压力测量普遍使用在待测部位接入压力测量仪表实现，但是针对某些领域，尤其在高压压力测量领域，整个压力回路中增加一个接触式压力测点，就会给整个压力回路引入一个泄漏风险点。在航空航天、精密测量/监测等高风险领域这类问题显得尤为突出；同时在该类领域中，对测量设备小型化、微型化的需求也与日俱增，但是传统方法因引入与传压介质接触式的压力仪表，增加了额外的泄漏风险很难满足该需求。
为了克服上述问题，中国专利CN111649869A公开一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统，采用非接触测量即在通过不与传压介质接触的方式测量由于压力引起的应变变化，再进行温度修正即可间接获得压力数据，在管路或容器的材质和性能均匀的基础上(一般都为曲面)，其内部压力变化与感压壁的应变及温度成相应的比例(已经进行了相关的验证试验)，通过对感压壁应变及温度的测量实现对管路或容器内部压力的测量，实现非接触式压力测量的目的。但是，其内部压力变化与感压壁的应变及温度的关系为非线性函数关系，温度修正过程复杂，测量精度较低。为了提高测量精度，一般通过提高解调器的采样精度来实现，但是测量精度依然无法得到实质性提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于应变传感器的管道压力测量方法及系统，解决现有测量方法存在的温度修正过程复杂，测量精度较低的问题。
本发明为了提高非接触压力测量的精度，对于材料的材质和结构进行研究，得到一种性能更佳的测量材质和材料。通过试验得知多数材质材料应变对于温度的影响为多次方曲线，但是TA2钛合金作为压力传导介质时应变变化对于温度的影响为线性关系，该材料的性能能很好的提高非接触压力测量方法的测量精度。所以本发明采用TA2钛合金作为标定管道的材料，实现压力的非接触测量。
本发明的技术方案是提供一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特殊之处在于，包括压力标定过程与压力测量过程：
所述压力标定过程为：
①对TA2钛合金标定管道上不同测点位置，分别测量多组温度、压力和应变值，代入拟合公式1，分别得到每个测点位置处f1n(ε)与f2n(T)函数对应的函数系数K1n与K2n值，n为测点位置序号，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T)为压力与温度的函数关系，K1为应变、压力相关函数系数，K2为温度、压力相关函数系数；其中拟合公式1为：
P＝aε+bT+e1+e2
其中P为压力，ε为应变，T为温度，a与e1是与K1相关的常数，b、e2是与K2相关的常数；
其中所述拟合公式1通过验证试验获得，所述TA2钛合金标定管道为验证试验中获得的具有确定测点位置及在各测点位置处粘接确定的压力和/或温度传感器的管道；
②在测量系统的解调器模块中，写入各测点位置的具体拟合公式：
Pn＝anε+bnT+e1n+e2n
其中an与e1n是与K1n相关的常数，bn、e2n是与K2n相关的常数；
所述压力测量过程为：
①将上述TA2钛合金标定管道与高压压力容器连接，通过应变传感器和温度传感器采集测量区域内各测点位置当前应变值和温度值；
②根据对应测点位置处的具体拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n，计算出该测点位置处管路中的压力值；
③根据所有测点位置处管路中的压力值，计算得到高压压力容器内的实时压力。
进一步地，所述验证试验过程为：
选取与高压压力容器连接的TA2钛合金管道，在不同的测点位置处粘贴温度及应变传感器，利用多组温度、压力和应变值的测量数据，获得拟合公式1；
并确定管道最终测点位置及各测点位置处粘接的相应的压力和/或温度传感器。
进一步地，所述验证试验过程具体为：
步骤1a、选取与高压压力容器连接的TA2钛合金待测管道作为验证试验管道；
步骤1b、确定验证试验管道上的测点位置、数量及验证条件，其中验证条件包括温度测量点与压力测量点；
步骤1c、在验证试验管道对应测点位置处粘贴相应的应变传感器和温度传感器；
步骤1d、将验证试验管道放入环境温试验箱中，验证试验管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，模拟不同温度、不同压力的工作状态；
步骤1e、根据步骤1b确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对验证试验管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，获得应变与温度、压力的对应拟合公式1；
步骤1f、根据试验数据确定管道最终测点位置及各测点位置处粘接的相应的压力传感器和/或温度传感器。
进一步地，所述压力标定过程中步骤①具体包括以下步骤：
步骤1a、选取验证试验中确定的连接管道作为标定管道；
步骤1b、确定标定管道上的标定条件，其中标定条件包括温度测量点与压力测量点；
步骤1c、将标定管道放入环境温试验箱中，标定管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，模拟不同温度、不同压力的工作状态；
步骤1d、根据步骤1b确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对标定管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，根据应变与温度、压力的对应关系P＝aε+bT+e1+e2，得到每个测点位置处压力关于温度、应变的具体拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n。
进一步地，验证试验确定至少一个测点位置，在测点位置处均粘贴应变传感器和温度传感器；其中应变传感器用于测试管路径向的应变量。
进一步地，在设定压力范围内，拟合公式P＝aε+bT+e1+e2具有相同的b、e2值。
本发明还提供一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量系统，其特殊之处在于：包括测量系统与校准控制系统，测量系统包括传感器模块与解调器模块，校准控制系统包括校准仪与控制系统；
传感器模块包括至少一个贴在TA2钛合金管路外侧面的应变传感器及一个温度传感器，应变传感器用于感知管路压力变化引起的管路应变变化，温度传感器用于测量管路的温度值，修正应变传感器受温度影响引入的偏移量；
传感器模块的信号输出端与解调器模块的信号输入端连接，解调器模块的信号输出端通过校准电缆和测试电缆分别与校准仪与控制系统连接，其中校准电缆和测试电缆分别在标定过程和测量过程与解调器输出端连接；
通过压力标定过程获得标定管道压力与应变、温度的对应关系，并写入解调器解调器模块中，各测点位置的具体拟合公式为：
Pn＝anε+bnT+e1n+e2n
在测量过程中，将上述标定管道与待测高压压力容器连接，将当前应变值和温度值，带入相应的拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n，即可计算当前管路中的压力。
进一步地，解调器模块包括应变测量前端调理电路、温度测量前端调理电路、AD模块、CPU、网络通信模块、隔离电路和电源模块；
应变测量前端调理电路用于将应变传感器的应变信号进行测量放大，温度测量前端调理电路用于将温度传感器温度信号转换成电压信号，AD模块进行应变信号和温度信号的模数转换，CPU通过读取AD模块输出的温度信号，通过查表得到温度值，再通过读取AD模块输出的应变信号，通过写入其内的拟合公式得到压力值，最后通过网络通信模块传输至控制系统。
本发明还提供一种TA2钛合金材料的管道在基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法中的应用。
本发明的有益效果是：
1、本发明为了提高非接触压力测量精度，对标定管道的材料进行研究，将TA2钛合金作为保定管道材料，TA2钛合金作为压力传导介质时应变变化对于温度的影响为线性关系，温度修正过程简单，可以提高非接触压力测量方法的测量精度。
2、本发明测量方法相对于原测量方法，可以大幅提高测量精度；
a.相对于原温度修正为多次方曲线的修正，本发明温度修正曲线为直线，方便后续标定过程对采集数据结果的辨识，原方法中修正曲线为多次方曲线，在标定过程中引入的误差较大，分段修正实现难度较大，所以只能取一个温度修正曲线去修正全部的温度影响，引入误差较大；而本发明可以通过分段式的修正保证测量结果的准确性进一步提高；
b.温度修正在标定过程中更容易得到，需要采集的点更少，操作更方便。
3、本发明经过前期大量的验证试验，根据试验结论获得管路特性拟合公式P＝aε+bT+e1+e2，通过标定试验获取每个测点位置处温度、压力及应变值的具体拟合公式，在测量过程中，将当前应变值和温度值，带入相应的拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n，即可计算当前管路中的压力；采用非接触测量即可获得压力数据，减少压力回路的(因增加一个传统的接触式压力测量点而增加的压力泄露)风险点，提高高压管路设备的可靠性。
4、本发明采用贴片式传感器，只需要将传感器粘贴在待测管道路的外壁即可，满足对测量设备小型化、微型化的需求。
5、本发明通过压力应变试验、温度应变试验、恒温压力应变试验、反复恒温压力应变试验(油介质)及反复恒压应变温度试验验证，证明了该压力测量方法进行压力测量，在管路中应用效果明显，测量精度可控，在管路中能更好的解决随时进行非接触压力测量或持续压力监测的目的，应用前景明朗。
附图说明
图1为本发明实施例的测量系统示意图；
图2为本发明实施例的解调器框图；
图3为本发明实施例的应变测量前端调理电路原理框图；
图4为本发明实施例的应变传感器测量电路图；
图5为本发明实施例的温度传感器测量电路图；
图6为本发明实施例Φ6mm和Φ9mm试验样件实物图；
图7为本发明实施例的验证试验连接图；
图8为本发明实施例验证试验过程中传感器粘贴方式；
图9为本发明实施例验证试验的Φ9mm管路应变数据；
图10为本发明实施例验证试验的Φ6mm管路应变数据；
图11为20℃时，1号应变传感器应变变化图；
图12为20℃时，2号应变传感器应变变化图；
图13为20℃时，3号应变传感器应变变化图；
图14为20℃时，4号应变传感器应变变化图；
图15为50MPa时1号应变传感器应变变化图；
图16为50MPa时2号应变传感器应变变化图；
图17为50MPa时3号应变传感器应变变化图；
图18为50MPa时4号应变传感器应变变化图；
图19为55MPa时1号应变传感器应变变化图；
图20为55MPa时2号应变传感器应变变化图；
图21为55MPa时3号应变传感器应变变化图；
图22为55MPa时4号应变传感器应变变化图；
图23为60MPa时1号应变传感器应变变化图；
图24为60MPa时2号应变传感器应变变化图；
图25为60MPa时3号应变传感器应变变化图；
图26为60MPa时4号应变传感器应变变化图；
图27为各传感器按照20℃温度补偿后的应变数据；
图28 20℃时1号传感器温度补偿前后的应变变化；
图29 20℃时2号传感器温度补偿前后的应变变化；
图30 20℃时3号传感器温度补偿前后的应变变化；
图31 20℃时4号传感器温度补偿前后的应变变化。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明方法具体包括验证试验、压力标定与压力测量三个过程：
验证试验：
针对TA2钛合金待测管道，在不同的测点位置处粘贴温度及应变传感器，经过大量验证试验，利用多组温度、压力和应变值的测量数据，确定了最优的测点位置及获得了拟合公式P＝aε+bT+e1+e2，其中P为压力，ε为应变，T为温度，a与e1是与K1相关的常数，b、e2是与K2相关的常数；K1为应变、压力相关函数系数，K2为温度、压力相关函数系数；对于不同材料、不同曲率半径、不同壁厚的待测管道对应的函数关系及最优测点位置有差异。
在最优测点位置粘贴相应温度及应变传感器的管道可直接用于后续标定过程及测量过程。为了后续便于描述，在压力标定过程中将该TA2钛合金待测管道定义为标定管道。
压力标定过程与压力测量过程：
压力标定过程为：针对标定管道，对当前测点位置，测量多组温度、压力和应变值，代入拟合公式P＝aε+bT+e1+e2，得到该测点位置处的K1、K2值；其中K1为f1(ε)函数对应的函数系数，K2为f2(T)函数对应的函数系数，P为压力，ε为应变，T为温度；然后，针对每个测点位置重复上述步骤，得到每个测点位置的K1n、K2n值；n为测点位置序号；之后在测量系统的解调器模块中，写入各测点位置的具体拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n，其中an与e1n是与K1n相关的常数，bn、e2n是与K2n相关的常数。
压力测量过程为：将上述标定管道与待测高压压力容器连接，采集各测点位置当前应变值和温度值；根据对应测点位置处的拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n计算当前测点位置处管路中的压力；根据所有测点位置处管路中的压力值获得最终高压压力容器中的压力。
每个测点位置的温度可以通过粘贴在该测点位置处的温度传感器获得；也可以用两个或两个以上的温度传感器测量整个测量区域的温度，作为该测量区域内所有测点位置处的温度值。
当采用两个或两个以上的温度传感器测量整个测量区域的温度作为该测量区域内所有测点位置处的温度值时：取两个温度传感器输出值的平均值作为当前测点位置处的温度值，当两支温度传感器输出温度差值大于设定值时，如0.4℃时，提示温度传感器需要重新校准后使用(校准或更换传感器)。此方法保证了温度测量准确和测量结果可靠。
根据验证试验，可采用m支应变传感器即确定m个测点位置，m支应变传感器对应温度输入值，可测得m组压力值，为了保证压力值输出的准确，采用异常值剔除法(可采用格拉布斯准则/狄克逊准则)，剔除出现的异常值。无异常值时，按照m组压力值的平均值输出，如有异常值，按照剩余压力值的平均值进行输出，即为高压压力容器中的压力。其中m为大于等于2的正整数。
实施例一
本实施例测量系统如图1所示，主要包括测量系统与校准控制系统；其中测量系统主要包括传感器模块与解调器模块，校准控制系统主要包括校准仪与控制系统。
其中，传感器模块安装于TA2钛合金管路的外壁面(可位于中部)，包括至少一个应变传感器及一个温度传感器，应变传感器用于感知管路压力变化引起的管路应变变化，温度传感器用于测量管路的温度值，修正应变传感器受温度影响引入的偏移量。本发明管道采用TA2钛合金材质，对于温度修正最终压力输出值更准确。
传感器模块的信号输出端与解调器模块的信号输入端连接，解调器模块的信号输出端通过校准电缆和测试电缆分别与校准仪与控制系统连接，其中校准电缆和测试电缆分别在标定过程和测量过程与解调器输出端连接。
在校准过程时，经标定试验，获得每个测点位置处，压力值温度与应变的拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n；其中：P为压力，ε为应变，T为温度，n为测点位置序号，通过校准仪将该拟合公式写入给解调器模块。
在测量过程中，解调器模块根据当前传感器模块的信号，将其转化为数字信号，根据拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n计算当前管路中的压力，通过数字通信口传输给控制系统。
解调器设计框图如图2所示。包括应变测量前端调理电路、温度测量前端调理电路、AD模块(模数转换器)、CPU(中央处理器)、网络通信模块、隔离电路和电源模块。应变测量前端调理电路将应变传感器的应变信号进行测量放大，温度测量前端调理电路将温度传感器的铂电阻温度信号转换成电压信号，AD模块进行应变和温度的模数转换，CPU通过读取AD模块将采集到的温度信号通过查表得到温度值，再通过读取AD模块将采集到的应变信号及温度值通过拟合公式得到压力值，最后通过网络通信模块传输至控制系统。
应变测量前端调理电路原理框图如图3所示，由电桥电路、放大电路和基准电压组成。本实施例应变传感器测量电路图如图4所示。
温度测量前端调理电路原理图与图3应变测量前端调理电路原理相同。温度传感器测量电路如图5所示。采用一个运算放大器同时实现温度传感器上信号提取及放大。
电源模块电路设计：主控提供的电源经隔离式DC/DC产生二次电源为调理电路供电。此项目选用隔离式DC/DC，将主控提供的输入电压直接转成解调器需要的二次电源。DC/DC的次级有短路保护电路，防止解调器电路出现短路故障时导致DC/DC模块损坏，避免二次电源损坏影响主电源系统。开关电源的输出电压纹波主要由它本身的开关频率导致的。在次级加入LC滤波器，减小次级供电电压的纹波。通过设定电感L和电容C的参数，令此LC低通滤波器滤波频率为1kHz左右，足以滤除DC/DC开关频率带来的高频噪声。
隔离电路设计：解调器的供电分为模拟电路供电电源与数字电路供电电源两部分，模拟电源为前端模拟电路的运算放大器、基准电压源等器件供电，采用双极性供电，+5V和-5V；数字供电电源统一采用5V供电。数字电路和模拟电路之间的供电相互隔离，二者相关联的信号采用ADuM1400系列四通道数字隔离器实现信号隔离。
网络通讯电路设计：工作时，采用工作用电缆，工作电缆一端与MYJ接口相连，另一端连接主机，通过TCP/IP通讯协议实现与控制系统通讯。控制系统下发测试命令，解调器执行一次测量，并将测量结果反馈给控制系统。
校准时，采用校准电缆，校准电缆一端连接解调器模块的电气接口，另一端连接供电电压和上位机，同样采用TCP/IP通讯协议，当上位机校准软件下发测试指令时，解调器进行一次测量并将测量值上传给上位机，校准软件计算出校准值，并下发给解调器，完成模块的校准。
本实施例具体的验证试验过程如下：
验证试验：
将
及
的TA2钛合金直导管裁剪焊接作为试验管道，一头作为盲点焊住、另一头焊接一个接头用于连接压力源，模拟真实的使用状态，制成试验样件，在样件上布置应变传感器，如图6所示。试验样件连接标准压力源，放入高低温试验箱中，应变传感器及温度传感器布置于直导管的不同位置，通过调节不同的温度、压力条件，即在每个试验温度下对管路进行升、降压，监测应变和温度变化，待管路温度稳定后记录应变和温度的输出。在20℃温度环境下对(10～60)MPa所有测点位置进行校准，通过测温仪及应变测量仪进行数据采集，对采集的数据进行分析。分析出应变与温度、压力的对应关系，拟合出应变与温度、压力的拟合公式P＝aε+bT+e1+e2，其中a、b、e1、e2均为常数，不同测点位置具有不同的a、b、e1、e2值。
验证试验连接图如图7。该试验总共包括8个测点位置，每一个测点位置处均粘贴应变传感器及温度传感器，应变传感器的应变信号通过线缆输送至应变测量仪，通过应变测量仪的不同通道显示不同测点位置的应变值，温度传感器的温度信号通过线缆输送至测温仪。
具体条件如下：
(1)温度测量点：-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃。
(2)压力测量点：10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa。
(3)应变传感器：匹配钛合金的高精度应变传感器(军工级)。
(4)粘贴工艺：对管道的粘贴表面进行处理，采用H-600双组份环氧树脂胶粘剂，进行固定粘贴，按照使用要求对其进行烘干固化。
(5)粘贴位置选择：
应变传感器分别在Φ6mm和Φ9mm管路上距离焊点25mm和35mm处成对粘贴，粘贴位置示意图见图8；
(6)温度测量：在每一个应变测点位置旁布置一个贴片式温度传感器，用于该测点位置温度的测量，贴片式温度传感器准确度等级为A级。
(7)数据输出设备选择：高精度应变测量仪。
(8)线路连接：电路板焊接方式。
(9)测量电路：四分之一桥。
性能试验：
针对
及
的TA2钛合金管道。通过数据分析发现在10～60MPa的压力范围内的应变测量可知，
管路每1MPa的压力变化对应的应变大小约为7个με，
管路每1MPa的压力变化对应的应变大小约为11个με，因此后续将选取对压力变化较为敏感的
管路的应变数据进行分析。
管路和
管路的应变测试数据如图9和图10所示。
不同压力条件下的应变数据分析：
本试验在温箱20℃下，将
管路上的4个传感器测点的应变数据清零作为所有数据的初始值，以方便对后续所有数据之间的关系进行比较时有本可依。
对管路进行压力输入变化，压力点输入分别为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa。反复循环做三遍，即每个压力点下有4个数据，对4个点求和取平均值作为该压力点的应变数据。
4个传感器测点(分别为1号应变传感器、2号应变传感器、3号应变传感器、4号应变传感器)的应变随压力(10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa)变化曲线如图11～图14所示。
对图11～图14曲线的均值拟合求出其轨迹的理论公式及R平方值，如表1所示：
表1本条件下各测点的均值轨迹方程及R平方值统计表
根据上述所列应变趋势变化图及均值拟合轨迹方程、R平方值可以看出，各测点变化规律较一致，只有在3号传感器40MPa点处稍有偏差，原因可能为此时压力输入不稳定所致，但不影响整体趋势，整体的各点应变值随压力的变化符合理论变化规律，均值拟合轨迹方程较好，其中1、2、4号传感器的R平方值均为1，3号传感器的R平方值为0.9991，整体线性度较好，数据可信度较高。
不同温度、不同压力条件下的应变数据分析：
所有试验数据是4个应变传感器分别在压力为50MPa、55MPa、60MPa时，在温箱中对管路进行温度输入变化，温度输入分别为-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃。反复循环做三遍，即每个温度点、压力点下有4个数据，对4个点求和取的平均值作为该温度点的应变数据。
4个测点(分别为1号、2号、3号、4号传感器)的应变随压力(-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃)变化曲线如图15～图26所示。
对图15～图26曲线的均值拟合求出其轨迹的理论公式及R的平方值，如表2所示：
表2本条件下各测点的均值轨迹方程及R平方值统计表
| 测点 | 均值轨迹方程 | R平方值 |
| 1号传感器(50MPa) | y＝16.291x+116.91 | R<sup>2</sup>＝0.9995 |
| 1号传感器(55MPa) | y＝16.324x+172.52 | R<sup>2</sup>＝0.9995 |
| 1号传感器(60MPa) | y＝16.334x+227.86 | R<sup>2</sup>＝0.9995 |
| 2号传感器(50MPa) | y＝15.553x+136.74 | R<sup>2</sup>＝0.9993 |
| 2号传感器(55MPa) | y＝15.58x+168 | R<sup>2</sup>＝0.9994 |
| 2号传感器(60MPa) | y＝15.591x+248.16 | R<sup>2</sup>＝0.9993 |
| 3号传感器(50MPa) | y＝15.644x+113.87 | R<sup>2</sup>＝0.9995 |
| 3号传感器(55MPa) | y＝15.658x+168 | R<sup>2</sup>＝0.9996 |
| 3号传感器(60MPa) | y＝15.681x+221.51 | R<sup>2</sup>＝0.9996 |
| 4号传感器(50MPa) | y＝15.507x+122.02 | R<sup>2</sup>＝0.9994 |
| 4号传感器(55MPa) | y＝15.524x+175.96 | R<sup>2</sup>＝0.9994 |
| 4号传感器(60MPa) | y＝15.547x+229.31 | R<sup>2</sup>＝0.9994 |
根据上述所列应变趋势变化图及均值拟合轨迹方程、R平方值可以看出，各测点变化规律较一致，整体的各测点应变值随温度的变化符合理论变化规律，均值拟合轨迹方程较好，各通道R平方值均大于0.999，温度补偿系数接近理论值。
由表2可知，各传感器在55MPa时的温度补偿系数值介于在50MPa和60MPa的温度补偿系数值之间，以4号传感器的温度影响曲线为例，在(50～60)MPa范围内，在±5℃的影响下，温度最大影响量引入的误差为：±MAX(︱15.524-15.507︱,︱15.547-15.524︱)×5＝0.023×5＝±0.115με，折合为压力约为：±0.115/11.38＝±0.010MPa。
所以在本次试验分析中，将使用55MPa下的各传感器测量数据进行整体数据的修正。在此范围内由于温度修正不准确引入的误差小于等于±0.010MPa，极大的控制了因为温度修正引入的最终结果的测量误差，大幅提高测量准确度；
同理：即(40MPa＜P≤50MPa)按照45MPa温度修正曲线进行修正；即(60MPa＜P≤70MPa)按照65MPa温度修正曲线进行修正。
温度补偿：
在以上数据处理中，以试验得到的原始数据为基础，由于这些数据在记录时，实际的温度值与设定的温度值存在微小偏差，因此，需要对所记录的值进行温度补偿，依据通过试验得出的补偿系数，对不同压力条件下的应变数据进行补偿后拟合。拟合公式1为：
P＝aε+bT+e1+e2
其中P为压力，ε为应变，T为温度，a与e1是与K1相关的常数，b、e2是与K2相关的常数；K1为应变、压力相关函数系数，K2为温度、压力相关函数系数，即为温度补偿系数。
选取20℃时，各传感器在10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa时，按照各自在55MPa时(参看表2)的温度补偿系数进行温度补偿示例，其余压力点数据温度补偿方法相同。各传感器温度补偿前后的应变数据如图27～图31所示。
由图27～图31可以看出，温度对应变有影响，整体上在温度固定的情况下，应变与压力的关系已经非常明确，后续可以针此特性在温度补偿中按照每10℃一个温度补偿点进行补偿，或者对于关注点测量范围内进行更细化的温度补偿。
试验结论
经过试验数据分析可知：
(1)Φ6mm和Φ9mm两根管路的性能均满足作为非接触压力测量装置的弹性体使用，但由于Φ6mm管路1MPa应变变化量约为7με，Φ9mm管路1MPa应变变化量约为11με，所以从测量精度上考虑，Φ9mm管路更适合作为后续方案的非接触压力测量装置的弹性体使用。
(2)经过对Φ9mm管路在几个设定压力点下的温度影响的数据进行分析，发现在过顶压力点下的温度影响同样呈线性变化，在小的区间内进行修正对最终结果引入的不确定度较小，后续可以根据测量需要进行分段、分区间温度修正以保证最终输出数据的准确性。
(3)经过对Φ6mm和Φ9mm两根管路距离盲点(焊接点)距离的影响量进行分析，发现远离盲点位置测点应变量更明显，说明焊点位置对测量管路应变性能有影响。根据试验数据可以确定后续的使用中的应变测点位置。
(4)测量过程中个别点的数据存在微小的偏离，存在2号传感器在20℃、40MPa点处稍有偏离，对所有6遍测量值进行温度修正，并在同一温度下去平均值后，偏离现象被弱化、消除。
影响该点偏差的原因可能有以下四点：
1)温度梯度引入误差(恒温时间不够进行数据采集)；
2)应变片和导线电阻引入误差(应变片和导线的温度还在温箱控温的变化中)；
3)保温箱调控引入误差(控温过程中局部控温未稳定)；
4)温度测量不准确引入误差(试验中采用pt100温度传感器，其与导管接触面较小，以测量导管附近环境温度为主)。
试验数据中虽然有误差存在，但不影响整体规律，数据变化趋势明显，试验结果足以说明问题，达到了预期的试验效果。
本实验通过严格的控制各项条件指标进行试验，得出的结论总体与理论相符，结论能客观的说明被测件的性能特征，数据可靠性较高，可为后续项目的进一步深入开展提供有力的证据。
本实施例具体的压力标定过程及压力测量过程如下：
压力标定过程：
将上述在最优测点位置粘贴有相应传感器的验证试验管道，作为标定管道，确定标定过程的标定条件，其中标定条件包括温度测量点与压力测量点；将标定管道放入环境温试验箱中，标定管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，根据确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对标定管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，根据应变与温度、压力的对应关系P＝aε+bT+e1+e2，得到每个测点位置处压力关于温度、应变的具体拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n；并将其写入解调器模块，n为测点位置序号，如针对第一个测点位置，P1＝a1ε+b1T+e11+e21，针对第二个测点位置，P2＝a2ε+b2T+e12+e22，。
压力测量过程：
将上述标定管道(粘贴有相应传感器的标定管道)与待测高压压力容器连接，采集测量区域内各测点位置当前应变值和温度值；将其转化为相应的数字信号后，判断两个温度传感器输出温度差值是否大于设定值，若是，则需要重新校准温度传感器；否则取两个温度传感器输出值的平均值作为当前温度值；
根据解调器模块内的拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n计算当前测点位置处管路中的压力，判断四个测点位置处管路中的压力值是否存在异常值，若是采用异常值剔除法剔除出现的异常值，将剩余值的平均值作为当前压力值；否则，将四组压力值的平均值作为当前压力值。
Claims (9)
1.一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，包括压力标定过程与压力测量过程：
所述压力标定过程为：
①对TA2钛合金标定管道上不同测点位置，分别测量多组温度、压力和应变值，代入拟合公式1，分别得到每个测点位置处f1n(ε)与f2n(T)函数对应的函数系数K1n与K2n值，n为测点位置序号，f1(ε)为压力与应力的函数关系；f2(T)为压力与温度的函数关系，K1为应变、压力相关函数系数，K2为温度、压力相关函数系数；其中拟合公式1为：
P＝aε+bT+e1+e2
其中P为压力，ε为应变，T为温度，a与e1是与K1相关的常数，b、e2是与K2相关的常数；
其中所述拟合公式1通过验证试验获得，所述TA2钛合金标定管道为验证试验中获得的具有确定测点位置及在各测点位置处粘接确定的压力和/或温度传感器的管道；
②在测量系统的解调器模块中，写入各测点位置的具体拟合公式：
Pn＝anε+bnT+e1n+e2n
其中an与e1n是与K1n相关的常数，bn、e2n是与K2n相关的常数；
所述压力测量过程为：
①将上述TA2钛合金标定管道与高压压力容器连接，通过应变传感器和温度传感器采集测量区域内各测点位置当前应变值和温度值；
②根据对应测点位置处的具体拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n，计算出该测点位置处管路中的压力值；
③根据所有测点位置处管路中的压力值，计算得到高压压力容器内的实时压力。
2.根据权利要求1所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，所述验证试验过程为：
选取与高压压力容器连接的TA2钛合金管道，在不同的测点位置处粘贴温度及应变传感器，利用多组温度、压力和应变值的测量数据，获得拟合公式1；
并确定管道最终测点位置及各测点位置处粘接的相应的压力和/或温度传感器。
3.根据权利要求2所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，所述验证试验过程具体为：
步骤1a、选取与高压压力容器连接的TA2钛合金待测管道作为验证试验管道；
步骤1b、确定验证试验管道上的测点位置、数量及验证条件，其中验证条件包括温度测量点与压力测量点；
步骤1c、在验证试验管道对应测点位置处粘贴相应的应变传感器和温度传感器；
步骤1d、将验证试验管道放入环境温试验箱中，验证试验管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，模拟不同温度、不同压力的工作状态；
步骤1e、根据步骤1b确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对验证试验管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，获得应变与温度、压力的对应拟合公式1；
步骤1f、根据试验数据确定管道最终测点位置及各测点位置处粘接的相应的压力传感器和/或温度传感器。
4.根据权利要求3所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于，所述压力标定过程中步骤①具体包括以下步骤：
步骤1a、选取验证试验中确定的连接管道作为标定管道；
步骤1b、确定标定管道上的标定条件，其中标定条件包括温度测量点与压力测量点；
步骤1c、将标定管道放入环境温试验箱中，标定管道的一端用堵头密封，另一端接标准压力源，模拟不同温度、不同压力的工作状态；
步骤1d、根据步骤1b确定的温度测量点和应变测量点，针对每个测点位置，在每个温度测量点下对标定管道加压至压力测量点，控制温度到对应的温度测量点，待管路温度稳定后记录每个测点位置处的应变输出值，根据应变与温度、压力的对应关系P＝aε+bT+e1+e2，得到每个测点位置处压力关于温度、应变的具体拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n。
5.根据权利要求3所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于：验证试验确定至少一个测点位置，在测点位置处均粘贴应变传感器和温度传感器；其中应变传感器用于测试管路径向的应变量。
6.根据权利要求5所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法，其特征在于：在设定压力范围内，拟合公式P＝aε+bT+e1+e2具有相同的b、e2值。
7.一种基于应变、温度传感器的非接触压力测量系统，其特征在于：包括测量系统与校准控制系统，测量系统包括传感器模块与解调器模块，校准控制系统包括校准仪与控制系统；
传感器模块包括至少一个贴在TA2钛合金管路外侧面的应变传感器及一个温度传感器，应变传感器用于感知管路压力变化引起的管路应变变化，温度传感器用于测量管路的温度值，修正应变传感器受温度影响引入的偏移量；
传感器模块的信号输出端与解调器模块的信号输入端连接，解调器模块的信号输出端通过校准电缆和测试电缆分别与校准仪与控制系统连接，其中校准电缆和测试电缆分别在标定过程和测量过程与解调器输出端连接；
通过压力标定过程获得标定管道压力与应变、温度的对应关系，并写入解调器解调器模块中，各测点位置的具体拟合公式为：
Pn＝anε+bnT+e1n+e2n
在测量过程中，将上述标定管道与待测高压压力容器连接，将当前应变值和温度值，带入相应的拟合公式Pn＝anε+bnT+e1n+e2n，即可计算当前管路中的压力。
8.根据权利要求7所述的基于应变、温度传感器的非接触压力测量系统，其特征在于：解调器模块包括应变测量前端调理电路、温度测量前端调理电路、AD模块、CPU、网络通信模块、隔离电路和电源模块；
应变测量前端调理电路用于将应变传感器的应变信号进行测量放大，温度测量前端调理电路用于将温度传感器温度信号转换成电压信号，AD模块进行应变信号和温度信号的模数转换，CPU通过读取AD模块输出的温度信号，通过查表得到温度值，再通过读取AD模块输出的应变信号，通过写入其内的拟合公式得到压力值，最后通过网络通信模块传输至控制系统。
9.TA2钛合金材料的管道在基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法中的应用。
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| CN202111657990.2A CN114459668A (zh) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117007238A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 杭州键嘉医疗科技股份有限公司 | 一种膝关节压力测量装置的标定方法 |
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| CN102252770A (zh) * | 2011-04-29 | 2011-11-23 | 中冶赛迪工程技术股份有限公司 | 一种测温补偿方法及修正型高精度温度计 |
| CN111649869A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-11 | 西安航天计量测试研究所 | 基于应变、温度传感器的非接触压力测量方法及系统 |
-
2021
- 2021-12-30 CN CN202111657990.2A patent/CN114459668A/zh active Pending
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